趙中吉

（中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

在地鐵車站施工過程中，深基坑開挖是整個施工過程的重點，而基坑降水的效果是基坑施工成功與否的關(guān)鍵，如何在保證坑內(nèi)降水效果的同時減少對周邊環(huán)境的影響是重中之重[1]。通過降水，可降低開挖土體含水量，提高土體抗剪強度，為深基坑開挖提供施工條件[2-4]。但在深基坑施工中，基底常會受承壓水影響[5-7]，必要時需要進行基坑承壓水降水設計。該文結(jié)合行知路站主體深基坑降水方案設計、施工實踐，對降水設計方案進行了綜合評價，可為類似工程施工提供經(jīng)驗指導。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

南京地鐵11 號線一期工程行知路站位于浦濱路與規(guī)劃園杰路路口，沿浦濱路敷設，為地下2 層島式車站。車站主體基坑長224m，標準段基坑寬21.7m，頂板覆土厚度約2.84m~4.55m。標準段底板底埋深17.6m~17.8m，端頭井底板底埋深18.0m~19.8m。車站底板位于②-3d2 粉細砂層中，圍護結(jié)構(gòu)采用800mm 厚地連墻，插入比為1 ∶1.09，墻趾主要位于粉細砂層中，屬“懸掛式止水帷幕”，基坑采用明挖順作法施工。

1.2 工程水文地質(zhì)情況

該工程土層、巖層分布較均勻，自上而下土層分別為①-1 雜填土、①-2b2-3 素填土、②-1d-c3-4 粉砂夾粉土、②-2b4 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②-3d2 粉細砂、②-3b3-4 粉質(zhì)黏土、②-3d1 粉細砂、②-4d1 含礫中粗砂、②-4e1 圓礫，礫砂、k2p-2 強風化泥質(zhì)粉砂巖以及k2p-3 中風化泥質(zhì)粉砂巖。

該工程地下水分為孔隙潛水、弱承壓水和基巖裂隙水。孔隙潛水主要賦存于素填土、粉砂夾粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細砂、粉質(zhì)黏土中，水位埋深約1.30m~3.60m。承壓水主要賦存于20m 以深、粉質(zhì)黏土以下的粉砂、粉細砂、含礫中粗砂、圓礫中，水位埋深約3.5m，上部隔水層軟-流塑狀的粉質(zhì)黏土屬軟弱土。

2 基坑降水的重點和難點

開挖范圍內(nèi)以砂層為主，內(nèi)夾黏性土薄層，含水量高，水平向透水性強但垂向透水性差，易出現(xiàn)層間滯水，對開挖效果及施工效率影響較大。

車站地連墻未隔斷含水層，為“懸掛式帷幕”，水位控制難度大?；紫路植加煞奂毶皩雍蛨A礫層組成的承壓含水層，有發(fā)生基底突涌的風險，再加上地層透水性好、補給源強，基坑涌水量大，承壓水位控制難度較大。

基坑西側(cè)為已建綜合管廊，距離主體基坑最近7.8m，需要盡量避免降水對管廊產(chǎn)生不良影響。

3 基坑降水方案

3.1 基坑降水設計計算

3.1.1 基坑疏干井數(shù)量

地連墻理論上已隔斷了上部潛水含水層基坑內(nèi)、外水力聯(lián)系，在坑內(nèi)按單井有效疏干面積布置疏干井即可。單井有效疏干面積a井一般根據(jù)疏干土體的特性及基坑的平面形狀來確定，一般為150m2~250m2，該工程按240m2/口考慮。

基坑疏干面積A約為4657m2，根據(jù)公式（1），坑內(nèi)共布置19 口疏干降水井。

式中：n—井數(shù)（口）；A—基坑疏干面積（m2）；a井—單井有效影響面積經(jīng)驗值（240m2）。

3.1.2 基底抗突涌穩(wěn)定性分析

基底以下分布有承壓含水層，有發(fā)生基底突涌的風險。經(jīng)計算，車站承壓水位需要降至標高-0.8m~-6.0m，相應降深為4.4m~9.6m。具體分析如下。

基坑底板抗突涌穩(wěn)定條件為基坑底板至承壓含水層頂板間的土重力大于承壓水的頂托力，如公式（2）所示。相應的基坑底板抗突涌驗算示意圖如圖1 所示，基底抗突涌穩(wěn)定性驗算見表1。

圖1 基坑底板抗突涌驗算示意圖

表1 基底抗突涌穩(wěn)定性驗算表

式中：Kh—突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，一般為1.05~1.1，本次按1.1 計算；D—承壓含水層頂面至坑底的土層厚度（m），D=Ha-Hb，其中Ha、Hb分別為基坑開挖底板高程（m）、含水層頂板高程（m）；γ—承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度（kN/m3），對多層土，取按土層厚度加權(quán)的平均天然重度（kN/m3）；取18.5kN/m3。hw—承壓含水層頂面的壓力水頭高度（承壓水位至承壓含水層頂板距離，m），取3.6m；γw—水的重度（10kN/m3）。

3.1.3 地下水流數(shù)值模型

3.1.3.1 水文地質(zhì)概念模型及參數(shù)

根據(jù)已有的巖土工程勘察報告、水文地質(zhì)條件、鉆孔資料，模擬區(qū)平面范圍按下述原則確定：以基坑為中心，邊界布置在降水井影響半徑以外，模擬區(qū)范圍為1300m×1000m，如圖2 所示。

圖2 三維模型含、隔水層概化圖

剖面上，根據(jù)勘察資料，將場區(qū)在垂向上概化為4 個模擬層，地層及滲透系數(shù)取值如表2、圖2 所示。

表2 各模型概化層滲透系數(shù)取值表

3.1.3.2 地下水流模型

根據(jù)上述概念模型，在不考慮水的密度變化的前提下，相應的地下水流數(shù)學模型如公式（3）所示。

式中：Kxx、Kyy和Kzz為平行于主軸x、y和z方向的滲透系數(shù)（L/T）；W為單位體積流量，用以代表流進或流出的源匯項（m3/d）；h為點（x，y，z）在t時刻的水位（m）；Ss為儲水率（L/m）；S為貯水系數(shù)；Sy為給水度；M為承壓含水層厚度（m）；B為潛水含水層厚度（m）。

初始條件如公式（4）所示。

邊界條件如公式（5）、公式（6）所示。

式中：Ω為立體時間域；H0（x，y，z，0）為研究區(qū)各層初始水頭值；H1（x，y，z，t）為研究區(qū)各層第一類邊界Γ1上的已知水頭函數(shù)（L）；q（x，y，z，t）為第二類邊界Γ2上的單位面積法向流量[L2T-1]，對隔水邊界，q=0。

3.1.3.3 源匯項

單井出水能力按公式（7）進行計算。

式中：q'為單井出水能力（m3/d）；r為濾管半徑，0.1365m；l'為過濾器進水部分長度，4m~8m。

單井出水量理論計算值為632m3/d~1265m3/d，考慮群井干擾等因素，實際抽水時單井出水量按600m3/d~1200m3/d 考慮。

3.1.4 模型計算結(jié)果及降壓井布置

車站承壓水位需要降至標高-0.8m~-6.0m，相應降深為4.4m~9.6m。

經(jīng)模型運行分析共布置19 口降壓井（含4 口觀測井兼?zhèn)溆镁?，可以使水位整體降至安全水位標高以下?；涌傆克考s為15000m3/d，單井水量600m3/d~1200m3/d，北側(cè)管廊處水位標高降至約-2.2m，降深5.8m?？觾?nèi)降水預測水位標高等值線如圖3 所示，其中水平向為沿車站縱向，豎向為沿車站橫向。

圖3 坑內(nèi)降水預測水位標高等值線圖（m）

3.1.5 降水引起的周邊地面沉降計算

降水引起的地層壓縮變形量可采用公式（8）進行計算。

式中：S—降水引起的地層變形量（m）；ψw—沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)南京地區(qū)經(jīng)驗取為0.2；Δσ′zi—降水引起的地面下第i層土中點處的附加有效應力（kPa）；對黏性土，應取降水結(jié)束時土的固結(jié)度下的附加有效應力；Δhi—第i層土的厚度（m）；Esi——第i層土的壓縮模量（kPa），應取土的自重應力至自重應力與附加有效應力之和的壓力段的壓縮模量，根據(jù)地勘資料取10.53MPa。

管廊處最大水位降深約為5.8m，則降水引起的管廊最大沉降量約為8mm。降水引起的沉降主要為均勻沉降，差異沉降很小，降水理論上不會對管廊造成不良影響。預測管廊處地面沉降等值線如圖4 所示。

圖4 預測管廊處地面沉降等值線圖

3.1.6 觀測兼回灌井布置

沿坑外管廊一側(cè)按約20m~25m 間距布置12 口坑外觀測井（兼回灌井），初期作為坑外水位觀測井使用，當坑外水位明顯下降（超過2m）且沉降報警時，進行回灌。如果出現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)地連墻滲漏且因坑外水頭壓力過大難以封堵時，也可開啟備用井臨時降低坑外水位，平衡坑內(nèi)外水頭差。

3.1.7 基坑降水井深度計算

疏干井的深度一般為基底以下6m~8m，根據(jù)類似工程經(jīng)驗取為25m?？油庥^測井深度同疏干井。為防止承壓水沿疏干井突涌，疏干井不可進入承壓含水層。根據(jù)相關(guān)規(guī)范（GB50296—2014 管井技術(shù)規(guī)范）要求，降壓井的深度應根據(jù)降水目標層的埋深、最下一段過濾器工作部分的長度和沉淀管的長度等綜合確定?？砂垂剑?）計算。

式中：Hw—降壓井深度（m）；Hw4—設計擬降低壓力水頭的目的含水層頂板的埋深（m），約34m；Hw5—最下部過濾器底端至擬降低壓力水頭的目的含水層頂板的距離，不小于8m；Hw6—沉淀管長度（m），取1.0m。

結(jié)合該工程地層和圍護結(jié)構(gòu)地連墻特點計算降壓井深度，取為44m、46m。

3.2 降水井設計

3.2.1 降水井設計參數(shù)

根據(jù)計算，整個基坑內(nèi)布置19 口疏干井，井深25m；12口降壓井一，井深46m；7 口降壓井二，井深44m；坑外布置12 口觀測井（兼回灌井），井深25m，合計50 口井。具體詳見表3。

表3 降水井設計參數(shù)表

3.2.2 降水井結(jié)構(gòu)設計

疏干井及坑外觀測井泥孔徑為600mm；井管為管徑273mm、壁厚3mm 鋼管，濾管為同規(guī)格橋式濾水管，孔隙率不小于20%，外包80 目高強度尼龍濾網(wǎng)；濾料為中粗砂，回填至濾管頂部以上，上部回填場地黏土固井。

降壓井泥孔徑為600mm；井管為管徑273mm、壁厚4mm鋼管，濾管為同規(guī)格橋式濾水管，孔隙率不小于20%，外包80 目高強度尼龍濾網(wǎng)；濾料為中粗砂，回填至濾管頂部以上，其上回填5m 厚黏土球止水，再回填場地黏土固井。

4 降水運營與監(jiān)測

4.1 降水運營

坑內(nèi)疏干井至少在土方開挖前15d~20d 開始抽水，將水位降至基底以下1m。

減壓降水做到“按需降水、隨挖隨降”，基坑施工第三道支撐后，開挖第四層土方前。開啟降壓井進行減壓降水，并隨開挖深度的逐步增加，逐漸增開降壓井，始終保持承壓水位位于安全水位標高以下。

在基坑開挖過程中，抽水開始后，承壓水位未達到設計水位之前，每天觀測2 次承壓水位；到達設計深度且趨于穩(wěn)定后，每天觀測一次。

4.2 降水監(jiān)測

在該車站施工過程中，對基坑及其四周地下水位變化、支護結(jié)構(gòu)的水平和垂直位移、周圍建構(gòu)物的沉降等進行了動態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：在實際施工中，地下水位可降至基底標高以下1.0m~2.2m，墻頂最大水平位移為21.4mm，最大深層水平位移為48.6mm，最大沉降量為25.6mm，其變形量均在基坑監(jiān)測預警值允許的范圍內(nèi)，降水工程取得圓滿成功。

5 結(jié)語

該文通過行知路站主體深基坑降水方案設計的成功案例，總結(jié)已施工車站降水設計施工經(jīng)驗，進行長江漫灘地貌單元富水砂層地質(zhì)深基坑降水設計方案研究，提出了完整的降水設計方案，確保了降水效果，保障了深基坑開挖、支護施工過程的安全和穩(wěn)定，可為類似工程施工提供經(jīng)驗。